Nuevas Tecnologìas en Generaciòn Elèctrica

NUEVAS TECNOLOGÌAS EN
GENERACIÒN ELÈCTRICA
G. Thern,A. Marajofsky,C.
Dominguez,A. Benìtez
CAC-CNEA
motivaciòn
• Grupo E.C.Avanzados.Desarrollo y
Pta.Piloto.CNEA-CAC
• Justificaciòn
• Avances tècnicos
• Invocaciòn
Resumen
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Crecimiento previsto de la Gen.Electr.
Estudio de generaciòn elèctrica CNEA
Comentarios
Invest y des?cuànto? Què?
Prospectiva.nuevas tecnologìas?
Generaciòn distribuìda perspectiva
Algunos tipos de estudios
Celdas combustibles
Avances en CNEA-CAC-ECAv
Crisis energètica
• La poluciòn,finitud de hidrocarburos
,calentamiento global,inestabilidad del mercado
energ,guerras del petròleo
• Nos encontramos en un revival de la e atomica!!!
• Còmo se realiza la transiciòn?
• Còmo se asegura la sustentabilidad?
• En Arg la crisis del 2001 detuvo la inversiòn, no
se previò el crecimiento:crisis en ciernes
Necesidades de energia electrica
en argentina a mediano plazo
• La cnea realizò un estudio sobre instalaciòn de
generaciòn de energìa electrica a mediano plazo
(20 años), el cual supone un crecimiento
razonable del 5% anual (crec pbi 8%actual,crec
pob. 1.5%,crec elect siempre mayor) , lo que da
un incremento de 40000 Mw siendo la capacidad
de generaciòn actual de 23000 Mw
Implica una inversiòn respetable,sin tener en
cuenta transmisiòn y combustible!
Estudio prospectivo de CNEA
utilizando codigos conocidos
• Diversificaciòn del menù de fuentes
energèticas con condiciones de
sustentabilidad
• Utilizaciòn de hidràulica (Secr.Energìa)
• Utilizaciòn de tecnologìas probadas
•
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•
•
•
Valores de cada tipo de generador
de energìa electrica y fuente,
%potencia instalada,
Termica
Hidraulica
Nuclear
Eòlica
Solar
Otras
2007
41 %
54,7
4,2%
0
0
0
2027
40%
31,5
19,5
6,5
1,5
1%
Valores en el consumo total de
energìa
•
•
•
•
•
•
•
tipo
Petroleo
Gas
Hidràulica
Vegetal
Nuclear
Carbòn min
• Otros
2002
41%
45%
6%
2%
2%
1%
3%
2020
30%
42%
3%
4 a 6%
10%
2 a 4%?
4%
Combustibles fòsiles
• El porcentaje de energìas fòsiles continùa
importante: del orden del 70% del
consumo total entre petroleo y gas.
• Del consumo para e electrica,entre 35%
y 40% serà de gas!
•
x 1012 kWh/año
Estrategia multilateral
• Si se cumplen los covenios previstos en
el mercosur, bolivia y venezuela…se
asegura la provisiòn de gas en por lo
menos 20 a 30 años.precio?
• En caso contrario habrà que tener en
cuenta tambièn el uso de carbòn como
fuente de energìa.(5x10 8 Tn) Ello implica
el estudio de gasificaciòn del carbòn y
captura del CO2 y tec. asociadas
Inv y desarrollo en què?
• Las centrales nucleares a instalar se basan en
tecnologìas conocidas y probadas.CNEA.NASA,Ciclo?
• Hidro?,estructuras?, turbinas.Priv.
• Eòlica.Orbita privada.(Pesc,Inv.otros)
• Petròleo.Privada.
• Gas.Turbinas?.Tec. constituìda.?
• Gas. Celdas de Combustible?
• Biomasa. Celdas de Combustible?
• Interacciòn entre tecnologìas
• Carbòn.Gasif,SecuestroCo2,impurezas,generadores,
combustiòn, separaciòn de O2, etc.
• H2 como vector?
Prestar atencion a las nuevas
tecnologìas
• En la prospectiva de CNEA se tiene en cuenta
las tecnologìas maduras (p.ej.nucleares)
• El mundo se encuentra en estos estos años en
un fuerte desarrollo de nuevas tecnologìas
impulsado por el agotamiento de las fosiles y el
calentamiento global
• Es necesario definir una politica de estudio y
seguimiento de nuevas tecnologias que permita
su incorporaciòn al parque energètico.
• Ej: usa en CC 1000mill U$S en 77/ 2000
Qué sucede en paises centrales I
generaciòn elèctrica
• Si observamos las polìticas de USA y
Europa, algunos enfatizaron la
complementariedad de las energìas
renovables llevando al lìmite la eòlica
(Alem,Din,Esp), y realizando inv
especialmente en CC en relaciòn al
transporte ( CC PEMM),Alem
• Fr nuclear razones estrateg…
Que sucede en paises centralesII
• En cambio en USA apuestan ademas a las
celdas comb estacionarias SOFC y últimamente
a las de carbonato fundido MC, pensando
especialmente en el crecimiento de la
electricidad distribuìda y en la biomasa
• Teniendo en cuenta las similitudes de distribución
de población y geografía de ambos paìses , y la
perspectiva de una amplia red de gasoductos en
todo el paìs en los pròximos 20 a 30 años ,
sugerimos como importante el desarrollo de
tecnologías de celdas de combustible en nuestro
paìs.
Energìas alternativas ARG-I
interacciòn, sinergia
• La distribuciòn geog fuentes e,
poblacional y la distribuciòn
hidr,eòlica,solar, hace necesario el
estudio de la sinergia de fuentes y
generadores en cada paìs:
• Eolica-hidràulica
• Eòlica-Hidrògeno-celda de combustible
• Eòlica-gas-celda de combustible
• CC-turbina.Hìbridos.ef. 80/85%
ENERGÌAS ALTERNATIVAS II
• Puesto que las celdas de combustible se
encuentran en estado precomercial
• Estimamos que a mediano plazo se debe
encarar un programa de desarrollo ( 7
a10 años), que se aplique en los 10 años
posteriores en fabricaciòn de celdas de
combustible.
Conveniencias de las celdas de
combustible
• Eficiencias relativamente altas de 40 a 55% aun
operando fuera de la carga de diseño
• La eficiencia es independiente de su tamaño
• Amplia gama de potencias de watt  Mw
• Baja intrusión medioambiental. No emite solidos,
gases ácidos o gases orgánicos
• Son silenciosas. Sin partes móviles en el
apilamiento
• Flexibles en cuanto a combustible
• Operación remota, sin personal
• Capacidad de seguimiento de carga rapido
• Pocas restricciones para lugar de instalación
Generación distribuìda
• Se refiere a generación de potencia en pequeña escala que
provee energía eléctrica en un sitio mas cercano al cliente
que una central de generación
• Se conecta directamente al consumidor o a un sistema de
distribución o de trasmisión existente
• Tecnologías: motor combustión interna/generador,
turbinas, micro-turbinas, Turbinas eólicas, solar-fotovoltaica,
celdas combustibles, etc.
• Servicios: posibilidad de generación de punta, de base, de
reserva, cogeneración
• Fuerzas impulsoras: a) requerimientos de confiabilidad y
calidad de potencia superiores a los ofrecidos
tradicionalmente b) saturación de líneas de trasmisión c)
Tiempos y costos asociados a incrementos en la capacidad
existente
Celdas de comb en generaciòn
distribuìda
• Se estima la e distribuida como un 5 a
10% de la generaciòn electrica total
• Si un 20% son celdas de comb en 1017
• 1200 Mw de mercado de celdas de baja
potencia e intermedia 5Kw a 50/100 y
40000 horas,U$S 400/kw
• Requiere una inversiòn 30 veces menor
• la distribuìda va a ser mayor, porque
las celdas sofc de baja pot como
puente hacia centrales de mayor
potencia
• La tecnología debe demostrarse, ser efectiva y
de bajo costo antes de usarse en centrales de
alta potencia
• La demostración en grandes volúmenes en
generación distribuida disminuye el riesgo
• Se establece y comprueba la fabricación y la
base de materiales
• Se permite validar la tecnología a bajo costo
• Los materiales y diseños SECA (programa
USA)resultaran aplicables a generación
distribuida y centralizada.
Desarrollo de celdas de comb en
cnea-cac objetivos
• tec. fab. de monoceldasSOFC
• Iniciar el conocimiento de la tec de fab
del stack (apilamiento) de las celdas sofc
• Identificar los problemas de fabricaciòn
• Desarrollar un lab de performance de cel.
• Estudiar y desarrollar las partes de un
apilamiento de baja pot 1-5 KW
Desarrollo de sofc en cnea cac lo
hecho y en vìas
• Se han fabricado monoceldas planas en dos
arquitecturas diferenciadas en cuanto al elemento
estructural (electrolito o ánodo)
• Se desarrollaron varias tècnicas de fabricaciòn
• Se fabricaron monoceldas tubulares con el ánodo
como elemento estructural
• Se fabricaron dispositiv ensayo.40mA/cm2,0.7V
• Se evaluó performance y atribuyò deficiencias
• Se construye un stack para evaluar interconex
Dispositivo de ensayo de monoceldas
planas Circulares de 19 mm diámetro
Contacto
cátodo
Celda
Contacto
ánodo
H2
Micrografía SEM de una tricapa
cerámica. Monocelda SOFC
LSM
10
micron
YSZ
Ni-YSZ
Monocelda tubular SOFC soportada por anodo
Alambre de Ni
colector anodico
Tubo de la monocelda
H2
Termocupla
Alambre Ag colector catodico
H2
Temperatura de
operación 800 °C
Ensayo monoceldas tubulares
Tubos soporte NiO-YSZ
conclusiones
• La transiciòn en el mundo hacia el uso sustentable de la energìa
no va a poder prescindir de la utilizaciòn de porcentajes
importantes de fuentes fósiles no renovables. Esta transiciòn se
realizarà mediante la incorporaciòn de nuevas tecnologìas que se
encuentran en desarrollo.
• Nuestro paìs, que posee experiencia en el campo nuclear, podrà
realizar adecuadamente el crecimiento de dicha fuente enrg, pero
no debe permanecer ajeno a la transiciòn con nuevas tec.: las
recibirà como paquete cerrado, o las integrarà racionalmente
utilizando el sistema tècnico e industrial, para eso (invocaciòn):
• El Estado a través de la Secr. de Energìa debe generar un
programa nacional con participaciòn de la industria para madurar
y usufructuar las nuevas tecnologìas que permitiràn el uso
sustentable de las fuentes fòsiles,en part celdas de combustible.
• Generar una normativa que estimule el uso de nuevas
tecnologìas.
•
FIN
x 1012 kWh/año
Caracteristicas de las celdas combustibles
AFC/
PAFC MCFC SOFC
PEMFC
Temperatura
Baja


Materiales
Nobles


Gases
Puros


Tecnología
Alta


Alta
Menos
nobles
Menos
puros
Alcanzabl
e
Proyecciones de energía
primaria Consecuencias
• Preponderancia de la utilización de gas y carbón
gasificado (CO + H2) para generación eléctrica en
los diversos escenarios
• Esta tendencia probablemente será valida en
nuestro país que cuenta con reservas de gas,
carbón y gran potencial en biomasa
• El uso del hidrógeno, metano y (H2 + CO) es
factible en las celdas combustibles de alta
temperatura, por lo que esta tecnología
participará en estos escenarios
Diversificacion del menù energetico
• Incentivar el uso de la cogeneraciòn,
ciclos combinados, generaciòn distribuìda
• Tecnologìas con generaciòn màs
eficiente y limpias
• Maximizar el uso de energìas renovables
y biomasa
Lugar de las renovables y celdas
combustibles
• ¡ )Vemos que el lugar de las energìas renovables ronda el
10% de la elèctrica
• aunque se le de capacidad màxima instalable a la
energìa nuclear y a la hidràulica aprovechable, todavía
el porcentaje de energìa generada a partir de no
renovables es grande!. 40 % de la gen electr y 80% del
consumo total de energ .muestra la importancia del gas!!
• Intensificar energìa producida a partir de
efluentes,restos vegetales, biomasa etc
• Esto harìa un mìnimo de 10% para las renovables que
hace del orden de 6000 MW para 2027! En el caso de e
lectrica y 42 000 MW para las no renovables!
•
Perspectivas para la energía distribuida
• USA
– generación total año 1999 : 3.450 billion kWh
– Crecimiento anual estimado 1990-2010: 1.5 %
– Crecimiento anual estimado en capacidad de generación
distribuida hasta 2010 : 7%
• Capacidad de generación distribuida año 2001: 34 < GD < 75
Gw
• Adiciones estimadas hasta el año 2010: 71.9 Gw
• ARGENTINA
generación total año 1999 : 77 billion kWh
Potencia instalada, año 2003 : 23.2 Gw
Crecimiento anual estimado 2004-2015: 5 %
Generación distribuida 5 < GD < 10 % de la potencia
instalada, da aproximadamente 1 – 2 Gw
– Cual será la tasa de crecimiento de la GD en Argentina ?
– GD serà 3<Gd<6 MW,
–
–
–
–
Energias alternativas II, Sinergia
• Se debe tener en cuenta:
• Periodicidad eòlica, hidràulica
• Tiempo de respuesta de distinos tipos de
generadores: turbina,tèrmica,celdas comb.,
nuclear…: horas pico
• LA SINERGIA ENTRE DIFERENTES TIPOS DE
ENERGÌA Y LOS GENERADORES DEBEN
SER PARTE DE UN PLAN DE DESARROLLO
ENERGETICO A MEDIANO PLAZO